声波透射法在桩基检测中的原理以及应用
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1引言
目前对混凝土灌注桩检测主要涉及两个方面:①桩基的承载力是否达到设计要求;②桩基的完整性和强度。静载试验法作为桩基承载力检测中最直接和可靠的检测方法,由于其检测周期长,费用大,故不便大面积测试。因此,对混凝土灌注桩来说,完整性检测显得尤为重要。声波透射法作为钻孔灌注桩非破损检测方法的一种,因其机理明确,设备简单,使用方便、检测准确,故被广泛应用于桩基检测中。
2声波透射法的基本原理
声波透射法的工作原理是在被测桩内预埋若干根竖向相互平行的声测管作为检测通道。将超声发射换能器与接收换能器置于声测管中,管中注满清水作为耦合剂。在测试时,两探头置于同一水平面或保持一定高差,沿声测管同时提升,仪器通过发射换能器发射超声脉冲.穿过被测桩体混凝土,并经接收换能器接收,声波信号按测点间距10cm或20cm自动记录,由仪器显示。由于超声脉冲信号穿过混凝土桩体存在缺陷部位时会发生绕射、折射、多次反射及不同的吸收衰减,使接收信号首波的声时、幅值等声学参数发生变化,通过判读以上参数,即可判断桩身混凝土是否存在缺陷。
声波是弹性波的一种,在混凝土介质中服从弹性波传播规律。运用弹性波理论,可推导得到纵波(P)和横波(S)在介质中的传播速度为
纵波(1)
横波(2)
式中:E为杨氏模量;μ为泊松比;ρ为介质密度。
由波速的表达式可知:弹性介质的性质及种类不同,弹性常数及密度也就不同,因此弹性波在介质中传播的速度也不同。人工发出弹性波,并设法用仪器接收并分析测定其波速,可以用来判定岩体的特征和内部状态以及混凝土的完整性,这就是工程中经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。在桩基的检测中,声波在混凝土传播的速度一般为3200~4000m/s,当遇到混凝土有裂隙、夹泥和密度差等原阂时,声波将发生衰减,部分声波绕过缺陷前进,传播时间延长,波速减小,产生漫射现象。而遇到空洞的空气界面要产生发射和散射,使声波的振幅减小。缺陷存在,使声波的路径复杂化,引起波形的畸变。所以声波在缺陷混凝土中传播时,振幅减小、波速降低、波形畸变。这就是超声波检测的基本原理。
3数据分析与判断方法
3.1声速
在剔除可疑数据后,统计整个桩的声速平均值μ和标准差σ,然后进行判断。对单个点声速值,计算该点值:
(3)
再根据值查正态分布表,求出值出现的概率和允许出现的次数。
若,说明在正常情况下一次也不能出现,但实际出现了,即该点为缺陷点。
3.2PSD判断
PSD判别法,也称斜率法,是声时随深度曲线相邻点的斜率和相邻两点声时差的乘积。根据桩身某一检测剖面各测点的实测声时t(μS)及测点高程z(mm),可以得到一个以t因变量,x为自变量的函数t=f(x),当桩身完好时,f(x)应是连续可导函数;当桩身剖面存在缺陷时,在缺陷与正常混凝土分界面处,声介质性质发生突变,声时t也发生突变,当Δx趋于0时,Δt不趋于0,即在此处不可导。因此函数f(x)不可导点就是缺陷界面位置。
(4)
(5)
(6)
式中,k为第i测点与第i-1测点间的斜率;t、t分别为第i测点和第i-1测点声时;x、x分别为第i测点和第i-1测点深度;为i测点的PSD值。
PSD法突出了声时的变化,对缺陷较为敏感,检测时,可以根据“PSD-深度”曲线上PSD值在某深度处的突变,结合波幅变化情况,对异常点进行判定。
4桩身完整性的判定
目前对桩身完整性的判定一般根据声速判据、声幅判据、以及PDS判据,分析各声学参数的临界值、综合各判据判得的结果以及实际的波形图,按照桩基检测技术规程对桩身的完整性进行评价。具体按照表1进行综合判定。声速反映了混凝土的弹性性能,波幅的衰减则反映混凝土界面情况,综合各参数及各深度的波形特征对桩的完整性和质量进行判定见表2。完好的桩,声速曲线基本是一条直线,无明显折点,波幅也无明显衰减,波形为正常波形。蜂窝、局部的夹泥沙团,声速基本有一定的减小,相对差一般为10%一20%,波幅有一定的衰减,PSD值出现尖角,波形出现畸变。局部的夹层和断桩声时,声速曲线呈现出明显的波峰,最大误差可达30%以上,而且波幅衰减强烈,PSD值出现明显尖角。
表1桩身完整性判定表
完整性类别
特征
I
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
各检测剖面声学参数均无异常.无声速低于限值异常。
某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常,无声速低于限值异常
某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常;两个或两个以上的检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常;局部混凝土声速出现低于限值异常
某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常;两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明硅异常;桩身混凝土声速出现普遍低于限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变
表2桩身混凝土质量判断依据表
质量
声时
波幅
波形
完好
离析
断裂
均匀,无突变
增大
显着增大
无大衰减
有衰减
明屁衰减
正常
畸变
严重畸变
5工程实例分析
山西境平定至阳曲高速公路是国家公路网北京至昆明高速公路的重要组成部分,是山西省又一条连接东西的重要高速通道。某标段桩基10#-1桩,桩径1.5m,桩长35m,使用北京康科瑞半自动测桩声波仪,采用一发双收平测,测点间距0.2m。声测管布置如图1,Ⅰ剖面为1-2测面,Ⅱ剖面为2-3测面,Ⅲ剖面为1-3测面。经检测,绘制的声速、声幅、PSD-深度曲线如图2所示,Ⅰ剖面在28m-30m处声速、声幅、PSD值都发生明显突变,性状异常;Ⅱ剖面则表现完好;Ⅲ剖面在28m-30m由于测不到信号,声速、声幅、PSD值为0。进行复测后,情况没有发生变化。怀疑1-2测面和1-3测面在28m-30m处混凝土严重离析。经在“A”处钻孔抽芯(如图2)取证,其结果与声波透射法测得结果一致,如图3所示。